基于USB总线的随机信源设计与实现

摘    要：本文详细介绍了一种基于USB总线的随机信源设备的设计与实现。内容包括随机信源噪声的产生与采集、USB控制芯片AN2131SC的特点及其应用以及USB驱动、固件和客户应用软件的编写等。
关键词：USB；AN2131SC；固件；AD9281

引言
密码技术是信息安全的核心技术之一，数据加密的安全性依赖于密钥。密码学意义上好的密钥是指利用随机现象产生随机信号，再通过对其编码而生成的随机序列，它具有等概率、独立、平稳等特性。随机信源产生模拟的电子噪声，利用ADC将其数字化，并最终提供真正随机的数字序列，来产生不同格式的密钥，从而满足各种实际的应用需求。因此随机信源及其研究是信息安全领域不可或缺的部分。本文介绍了一种基于USB接口的随机信源的设计方案和实现。

硬件设计
硬件设计包括：信源噪声产生电路、A/D转换电路和USB硬件模块。图1是该随机信源的原理框图。
信源噪声产生
信源噪声产生原理是利用具有雪崩效应的齐纳二极管产生噪声，然后再将其经宽带放大器进行放大。在具体设计中，最好选用10V左右的齐纳二极管，此时按图2的接法，通过微调可调电阻来改变流过齐纳二极管的电流值，就能从耦合电容得到较平坦的频谱。可以适当调整电流值，以寻找噪声频谱既平坦、噪声电平又尽可能高的最佳点。雪崩噪声的主要成分是散弹噪声，属于高斯白噪声。
由于实际的宽带放大器都不具有理想的滤波特性，这种高斯白噪声通过宽带放大电路后，一般就不再是白噪声了。因此在设计宽带放大器时，需要增加校正网络，使输出的噪声在一定的带宽范围内接近高斯白噪声。
除了考虑足够的信号强度和频带宽度外，还要采取增益控制、阻抗匹配、电源去耦、信号屏蔽等措施，防止电路出现自激振荡，提高随机信源电路的工作稳定性。图3是通过频谱分析仪实测的信源噪声的功率谱密度图，其中3dB噪声带宽约为65MHz；等效噪声带宽约为200MHz。
A/D转换
A/D转换就是将宽带放大器输出的模拟电子噪声转化为数字噪声的过程。在噪声采集电路中，使用了AD9281芯片。该芯片内部结合了两个8bit、28MSPS的ADC，两个输入缓冲放大器，一个内部参考电压，多路复用数字输出缓冲器。采用单电源供电，工作电压范围：2.7V~5.5V，功耗低，温度适用范围宽。
AD9281有四种信号输入方式：单端输入方式、差动输入方式、交流耦合输入方式和变压器耦合输入方式。由于输入信号是宽带放大器经电容耦合进来的，没有直流成分，本方案采用交流耦合输入方式。
AD9281有五种工作模式：1V模式、2V模式、外部设置模式、外部参考电压模式和参考缓冲模式。本方案采用的是外部设置模式，如图4所示。使用内部参考电压，通过外部的电阻分压来调整参考电压：VREF=1+(Ra/Rb)，其中Ra和Rb分别是可调电阻两部分的阻值，这种模式可满足输入信号电压峰-峰值从0.7V到2.5V的变化范围，避免了直接调整信号幅度所引起的负面影响。
USB硬件
USB接口控制使用的是Cypress公司的AN2131SC芯片。该芯片是一种全速USB控制器，遵循USB协议1.1版， 44个引脚，使用3.3V电源。
在整个噪声采集过程中，AN2131SC的主要作用是：利用其USB内核与主机通信并传输数据。利用其片上增强型8051作为控制器，使AD9281正常工作。具体工作过程为：AN2131SC上电复位后，芯片按照USB规范应答，提供设备标识，然后再次枚举，加载对应驱动程序，并将控制权转交给8051，8051对AD9281发采集指令，进行噪声采集，将所得的噪声数据存储到内部FIFO，当一定字节的数据采集完后，再将它们通过USB总线传至主机。噪声采集工作原理可参看图4。需要说明的是，AN2131SC实际同步传输带宽由8051能在同步端点FIFO内、输入和输出的数据速度来决定。AN2131SC 8051的时钟是24MHz(42ns)，其指令周期需4个时钟：42 ns